Utilização de terapêuticas comprovadamente úteis no tratamento da coronariopatia aguda: comparação entre diferentes regiões brasileiras. Análise do Registro Brasileiro de Síndromes Coronarianas Agudas (BRACE - Brazilian Registry on Acute Coronary Syndromes)

FUNDAMENTO: Pouco se sabe, em nosso meio, sobre diferenças regionais no tratamento da coronariopatia aguda. OBJETIVO: Analisar o comportamento regional relativamente à utilização de terapêuticas comprovadamente úteis na coronariopatia aguda. MÉTODOS: Foram selecionados aleatoriamente 71 hospitais, respeitando-se a proporcionalidade do país em relação à localização geográfica, entre outros critérios. Na população global, foi analisada regionalmente a utilização de AAS, clopidogrel, inibidor da ECA/bloqueador de AT1, betabloqueador e estatina, isoladamente e agrupados por escore individual que variou de 0 (nenhum medicamento utilizado) a 100 (todos utilizados). No infarto com supradesnivelamento de ST (IAMCSST) foram analisadas diferenças regionais sobre utilização de terapêuticas de recanalização (fibrinolíticos e angioplastia primária). RESULTADOS: No global da população, nas primeiras 24 horas de hospitalização, a média de escore na região Norte-Nordeste (70,5 ± 22,1) foi menor (p < 0,05) do que nas regiões Sudeste (77,7 ± 29,5), Centro-Oeste (82 ± 22,1) e Sul (82,4 ± 21). Por ocasião da alta, o escore da região Norte-Nordeste (61,4 ± 32,9) foi menor (p < 0,05) do que nas regiões Sudeste (69,2 ± 31,6), Centro-Oeste (65,3 ± 33,6), e Sul (73,7 ± 28,1); adicionalmente, o escore do Centro-Oeste foi menor (p < 0,05) do que o do Sul. No IAMCSST, o uso de terapêuticas de recanalização foi maior no Sudeste (75,4%, p = 0,001 em relação ao restante do país), e menor no Norte-Nordeste (52,5%, p < 0,001 em relação ao restante do país). CONCLUSÃO: O uso de terapêuticas comprovadamente úteis no tratamento da coronariopatia aguda está aquém do desejável no país, com importantes diferenças regionais.

Estudo do padrão respiratório e movimento toracoabdominal em valvopatia mitral

FUNDAMENTO: pacientes com valvopatia mitral podem evoluir com congestão pulmonar, que aumenta o trabalho dos músculos respiratórios; essa sobrecarga pode alterar o padrão respiratório com predomínio do deslocamento torácico ou presença de movimentos paradoxais. OBJETIVO: a) estudar o padrão respiratório e movimento toracoabdominal (MTA) em pacientes com doença mitral b) estudar o efeito do posicionamento nos parâmetros respiratórios c) correlacionar hipertensão pulmonar com presença de incoordenação do MTA. MÉTODOS: o padrão respiratório e o MTA de pacientes com doença mitral foram avaliados por pletismografia respiratória por indutância, nas posições dorsal e sentada, durante dois minutos de respiração tranquila. Analisou-se volume corrente (Vc) e tempos respiratórios e as variáveis do MTA. RESULTADOS: de 65 pacientes incluídos, 10 foram retirados, 29 participaram do grupo estenose mitral e 26 do grupo insuficiência mitral. O Vc, a ventilação pulmonar e o fluxo inspiratório médio aumentaram significantemente na posição sentada, sem diferenças entre os grupos. O MTA manteve-se coordenado entre os grupos e as posições; no entanto, cinco pacientes na posição dorsal apresentaram incoordenação (três no grupo estenose mitral; dois no grupo insuficiência mitral) com correlação significante com valores de pressão de artéria pulmonar (r = 0,992, p = 0,007). CONCLUSÃO: o padrão respiratório e o MTA não apresentam diferenças entre pacientes com estenose ou insuficiência mitral. A posição sentada aumenta o Vc sem alterar os tempos respiratórios. A presença de incoordenação toracoabdominal na posição dorsal esteve associação à hipertensão pulmonar.

Redundant nerve roots of the cauda equina: review of the literature

In imaging diagnosis, redundant nerve roots of the cauda equina are characterized by the presence of elongated, enlarged and tortuous nerve roots in close relationship with a high-grade lumbar spinal canal stenosis. This is not an independent entity, but it is believed to be a consequence of the chronic compression at the level of the lumbar canal stenosis and thus may be part of the natural history of lumbar spinal stenosis. The present paper is aimed at reviewing the histopathological, electrophysiological and imaging findings, particularly at magnetic resonance imaging, as well as the clinical meaning of this entity. As the current assessment of canal stenosis and root compression is preferably performed by means of magnetic resonance imaging, this is the imaging method by which the condition is identified. The recognition of redundant nerve roots at magnetic resonance imaging is important, particularly to avoid misdiagnosing other conditions such as intradural arteriovenous malformations. The literature approaching the clinical relevance of the presence of redundant nerve roots is controversial. There are articles suggesting that the pathological changes of the nerve roots are irreversible at the moment of diagnosis and therefore neurological symptoms are less likely to improve with surgical decompression, but such concept is not a consensus.

Clinical evolution of patients hospitalized due to the first episode of Acute Coronary Syndrome

AIM: to assess the clinical evolution of patients hospitalized due to the first episode of Acute Coronary Syndrome (ACS) according to its clinical manifestation. METHODS: data were collected from 234 patients, hospitalized between May 2006 and July 2009 due to the first episode of an ACS, by consulting their medical records. RESULTS: 234 patients were hospitalized, 140 (59.8%) due to Acute Myocardial Infarction (AMI). In the group with AMI, 19.3% presented complications, against 12.8% in the group with Unstable Angina (UA) (p=0.19). Angioplasty levels were higher among patients with AMI than with UA (p=0.02) and coronary artery bypass graft surgery was more frequent among UA patients (p=0.03). The majority (227; 97%) survived after the coronary event. Among the seven patients who died during the hospitalization, four had AMI (2.9%) and three UA (3.2%). CONCLUSIONS: A larger number of complications were found among infarction victims and the accomplishment of coronary artery bypass graft surgery differed between the groups.

Comprometimento da árvore respiratória na granulomatose de Wegener

INTRODUÇÃO: A granulomatose de Wegener (GW) é uma forma de vasculite sistêmica que envolve primariamente as vias aéreas superiores e inferiores e os rins. As manifestações mais frequentes nas vias aéreas são estenose subglótica e inflamações, estenoses da traqueia e dos brônquios. A visualização endoscópica das vias aéreas é a melhor ferramenta para avaliação, diagnóstico e manejo dessas alterações. OBJETIVOS: Descrever as alterações endoscópicas encontradas na mucosa das vias aéreas de um grupo de pacientes com GW submetido à broncoscopia no Hospital das Clínicas da Faculdade de Medicina da Universidade de São Paulo (HC-FMUSP) e relatar as intervenções terapêuticas broncoscópicas utilizadas em alguns casos. MÉTODOS: Foram estudados 15 pacientes com diagnóstico de GW provenientes do Ambulatório de Vasculites da Disciplina de Pneumologia do HC-FMUSP, encaminhados para a realização de broncoscopia no serviço de Endoscopia Respiratória do HC-FMUSP no período de 2003 a 2007. RESULTADOS: Dos 15 pacientes avaliados, 11 eram mulheres (73,33%) com idade média de 34 ± 11,5 anos. Foram encontradas alterações das vias aéreas em 80% dos pacientes, e o achado endoscópico mais frequente foi estenose subglótica (n = 6). Realizou-se broncoscopia terapêutica em três pacientes com estenose subglótica e em outros três com estenose brônquica, todos apresentando bons resultados. CONCLUSÃO: A broncoscopia permite diagnóstico, acompanhamento e tratamento das lesões de vias aéreas na GW, constituindo-se um recurso terapêutico pouco invasivo em casos selecionados.

Novo modelo de endoprótese traqueal autoexpansível de fabricação nacional: estudo experimental em coelhos

Objetivamos testar um novo modelo de endoprótese traqueal autoexpansível para que esse possa ser futuramente disponibilizado para o uso clínico. As endopróteses de nitinol revestidas de poliuretano foram alocadas no terço médio da traqueia de 25 coelhos da raça Nova Zelândia sob laringoscopia direta. Após um período de observação médio de 26 dias, avaliou-se a migração da prótese, grau de dilatação, incorporação, aderência, formação de tecido de granulação, presença de infiltrado inflamatório, envolvimento parietal e revestimento epitelial. Os resultados demonstraram completa expansibilidade radial, pouca aderência à mucosa traqueal e baixa incorporação tecidual, assim como alta taxas de formação de granulomas e de migração. Esse novo modelo demonstrou ser biocompatível e teve comportamento semelhante ao de outras próteses disponíveis no mercado.

Fatores prognósticos associados ao tratamento cirúrgico da mielorradiculopatia espondilótica cervical

OBJETIVO: Identificar os fatores clínicos dos indivíduos, fatores sociais, ambientais e dos exames de imagem que se correlacionam ao resultado final de melhora neurológica em pacientes submetidos ao tratamento cirúrgico da mielopatia espondilótica cervical. MÉTODOS: A avaliação clínica foi quantificada pela escala deficitária da JOA. Analisamos 200 casos de mielorradiculopatia cervical, operados no HC-FMUSP, no período de janeiro de 1993 a janeiro de 2007. A média de segmento foi de 06 anos e 08 meses. A análise radiológica foi baseada nos critérios de instabilidade de White e scala de Kellgren. RESULTADOS: Em 80% houve melhora, 14% estabilização e em 6% piora do quadro neurológico. A piora neurológica não foi associada com nenhum fator clínico, ambiental ou de imagem. A melhora neurológica foi diretamente proporcional a menor idade na cirurgia, ausência de co-morbidade, sinal de Hoffman, atrofia muscular, hipersinal medular na RNM, menor período de evolução pré-operatório, melhor status neurológico pré-operatório e inversamente proporcional ao diâmetro AP do canal medular e multiplicidade de compressões. Identificou-se associação com o tabagismo. Mais de 70 anos, evolução superior a 24 meses, atrofia muscular, pontuação JOA igual ou inferior a sete pontos e diâmetro AP do canal inferior ou igual a seis mm não foram associado à melhora.

Estabilizações lombares dinâmicas

O funcionamento fisiológico normal da coluna depende da movimentação normal de cada unidade motora, que consiste em duas vértebras e o disco intervertebral interposto entre elas. Embora a artrodese da coluna vertebral venha sendo utilizada para o tratamento de diversas doenças da coluna, essa modalidade de tratamento acarreta a perda de movimentação dos níveis em que houve a fusão e como consequência pode sobrecarregar os níveis adjacentes podendo provocar a sua degeneração precoce. Proponentes das técnicas de estabilização dinâmicas acreditam que estas podem levar a correção dos problemas minimizando o risco de degeneração dos níveis adjacentes. Atualmente existem no mercado diversos métodos de estabilização dinâmica anteriores e posteriores. Já existem trabalhos biomecânicos que comprovam o benefício teórico de quase todos eles, porém ainda hoje, faltam ensaios clínicos que comprovem a sua utilidade e segurança por longos períodos de seguimento para o paciente. Portanto é fundamental que estes materiais sejam analisados de maneira acadêmica para que no futuro próximo possam ser utilizados em situações precisas e com segurança para os pacientes.

Acesso pela artéria subclávia para implante por cateter da bioprótese valvar aórtica CoreValve®: dados do registro brasileiro

INTRODUÇÃO: A via de acesso transfemoral é preferencial para o implante por cateter de bioprótese valvar aórtica. Entretanto, algumas situações, como a presença de doença vascular periférica, impossibilitam a utilização desse acesso. Nesses casos, o acesso por dissecção da artéria subclávia é uma alternativa para a realização do procedimento. Nosso objetivo foi avaliar a experiência brasileira com a utilização da artéria subclávia como via de acesso para o implante por cateter da bioprótese CoreValve®. MÉTODOS: Foram requisitos para o procedimento área valvar aórtica < 1 cm², ânulo valvar aórtico ≥ 20 mm e ≤ 27 mm (CoreValve® de 26 mm e 29 mm), aorta ascendente ≤ 43 mm e artéria subclávia com diâmetro ≥ 6 mm, isenta de lesões obstrutivas significativas, tortuosidade acentuada e calcificação excessiva. O acesso pela artéria subclávia foi obtido por dissecção cirúrgica e, sob visão direta, punção da artéria subclávia. Obtido o acesso arterial, empregou-se a técnica padrão. RESULTADOS: Entre janeiro de 2008 e abril de 2012, 8 pacientes com doença vascular periférica foram submetidos a implante de prótese CoreValve® pela artéria subclávia em 4 instituições. O procedimento foi realizado com sucesso em todos os casos, com redução do gradiente transvalvar aórtico médio de 46,4 ± 17,5 mmHg para 9,3 ± 3,6 mmHg (P = 0,0018) e melhora dos sintomas. Aos 30 dias e no seguimento de 275 ± 231 dias, 87,5% e 62,5% dos pacientes, respectivamente, apresentavam-se livres de complicações maiores (óbito, infarto do miocárdio, acidente vascular cerebral e cirurgia cardíaca de urgência). CONCLUSÕES: Na experiência brasileira, o acesso pela artéria subclávia mostrou-se seguro e eficaz como via alternativa para o implante por cateter da bioprótese CoreValve®.

Tratamiento de lesiones ostiales de la arteria coronaria descendente anterior con stent flotante farmacoactivo : anatomía vulnerable de la carina

Programa de doctorado: Avances en medicina interna.

Medida y caracterización de las propiedades mecánicas tisulares y su aplicación a la medicina guiada por imágenes

[ES] Es un hecho bien conocido que las propiedades mecánicas de los tejidos patológicos difieren de las de los tejidos que los rodean. La práctica médica tradicional de la palpación lo ilustra con claridad. Durante los últimos años han surgido nuevos métodos que tratan de estimar la elasticidad de los tejidos para el diagnóstico de patologías, independientemente de la subjetividad del método médico tradicional. Una técnica en particular, la elastografía por ultrasonidos, fácilmente adaptable a los equipos de ultrasonido tradicionales, con seguridad se convertirá en una herramienta de diagnóstico médico importante, por su utilidad en la detección y caracterización de tumores de próstata y mama, así como en la detección de arterias dañadas, entre otras muchas aplicaciones. en el siguiente artículo se revisan brevemente las bases teóricas y prácticas de la elastografía por ultrasonido.

Generación de modelos físicos personalizados y segmentación de la pared arterial y el trombo intraluminal en imágenes de aneurismas aórticos abdominales

Esta tesis doctoral está encuadrada dentro del marco general de la ingeniería biomédica aplicada al tratamiento de las enfermedades cardiovasculares, enfermedades que provocan alrededor de 1.9 millones (40%) de muertes al año en la Unión Europea. En este contexto surge el proyecto europeo SCATh-Smart Catheterization, cuyo objetivo principal es mejorar los procedimientos de cateterismo aórtico introduciendo nuevas tecnologías de planificación y navegación quirúrgica y minimizando el uso de fluoroscopía. En particular, esta tesis aborda el modelado y diagnóstico de aneurismas aórticos abdominales (AAA) y del trombo intraluminal (TIL), allí donde esté presente, así como la segmentación de estas estructuras en imágenes preoperatorias de RM. Los modelos físicos específicos del paciente, construidos a partir de imágenes médicas preoperatorias, tienen múltiples usos, que van desde la evaluación preoperatoria de estructuras anatómicas a la planificación quirúrgica para el guiado de catéteres. En el diagnóstico y tratamiento de AAA, los modelos físicos son útiles a la hora de evaluar diversas variables biomecánicas y fisiológicas de las estructuras vasculares. Existen múltiples técnicas que requieren de la generación de modelos físicos que representen la anatomía vascular. Una de las principales aplicaciones de los modelos físicos es el análisis de elementos finitos (FE). Las simulaciones de FE para AAA pueden ser específicas para el paciente y permiten modelar estados de estrés complejos, incluyendo los efectos provocados por el TIL. La aplicación de métodos numéricos de análisis tiene como requisito previo la generación de una malla computacional que representa la geometría de interés mediante un conjunto de elementos poliédricos, siendo los hexaédricos los que presentan mejores resultados. En las estructuras vasculares, generar mallas hexaédricas es un proceso especialmente exigente debido a la compleja anatomía 3D ramificada. La mayoría de los AAA se encuentran situados en la bifurcación de la arteria aorta en las arterias iliacas y es necesario modelar de manera fiel dicha bifurcación. En el caso de que la sangre se estanque en el aneurisma provocando un TIL, éste forma una estructura adyacente a la pared aórtica. De este modo, el contorno externo del TIL es el mismo que el contorno interno de la pared, por lo que las mallas resultantes deben reflejar esta particularidad, lo que se denomina como "mallas conformadas". El fin último de este trabajo es modelar las estructuras vasculares de modo que proporcionen nuevas herramientas para un mejor diagnóstico clínico, facilitando medidas de riesgo de rotura de la arteria, presión sistólica o diastólica, etc. Por tanto, el primer objetivo de esta tesis es diseñar un método novedoso y robusto para generar mallas hexaédricas tanto de la pared aórtica como del trombo. Para la identificación de estas estructuras se utilizan imágenes de resonancia magnética (RM). Deben mantenerse sus propiedades de adyacencia utilizando elementos de alta calidad, prestando especial atención al modelado de la bifurcación y a que sean adecuadas para el análisis de FE. El método tiene en cuenta la evolución de la línea central del vaso en el espacio tridimensional y genera la malla directamente a partir de las imágenes segmentadas, sin necesidad de reconstruir superficies triangulares. Con el fin de reducir la intervención del usuario en el proceso de generación de las mallas, es también objetivo de esta tesis desarrollar un método de segmentación semiautomática de las distintas estructuras de interés. Las principales contribuciones de esta tesis doctoral son: 1. El diseño, implementación y evaluación de un algoritmo de generación de mallas hexaédricas conformadas de la pared y el TIL a partir de los contornos segmentados en imágenes de RM. Se ha llevado a cabo una evaluación de calidad que determine su aplicabilidad a métodos de FE. Los resultados demuestran que el algoritmo desarrollado genera mallas conformadas de alta calidad incluso en la región de la bifurcación, que son adecuadas para su uso en métodos de análisis de FE. 2. El diseño, implementación y evaluación de un método de segmentación automático de las estructuras de interés. La luz arterial se segmenta de manera semiautomática utilizando un software disponible a partir de imágenes de RM con contraste. Los resultados de este proceso sirven de inicialización para la segmentación automática de las caras interna y externa de la pared aórtica utilizando métodos basado en modelos de textura y forma a partir de imágenes de RM sin contraste. Los resultados demuestran que el algoritmo desarrollado proporciona segmentaciones fieles de las distintas estructuras de interés. En conclusión, el trabajo realizado en esta tesis doctoral corrobora las hipótesis de investigación postuladas, y pretende servir como aportación para futuros avances en la generación de modelos físicos de geometrías biológicas. ABSTRACT The frame of this PhD Thesis is the biomedical engineering applied to the treatment of cardiovascular diseases, which cause around 1.9 million deaths per year in the European Union and suppose about 40% of deaths per year. In this context appears the European project SCATh-Smart Catheterization. The main objective of this project is creating a platform which improves the navigation of catheters in aortic catheterization minimizing the use of fluoroscopy. In the framework of this project, the specific field of this PhD Thesis is the diagnosis and modeling of abdominal aortic aneurysm (AAAs) and the intraluminal thrombus (ILT) whenever it is present. Patient-specific physical models built from preoperative imaging are becoming increasingly important in the area of minimally invasive surgery. These models can be employed for different purposes, such as the preoperatory evaluation of anatomic structures or the surgical planning for catheter guidance. In the specific case of AAA diagnosis and treatment, physical models are especially useful for evaluating pressures over vascular structures. There are multiple techniques that require the generation of physical models which represent the target anatomy. Finite element (FE) analysis is one the principal applications for physical models. FE simulations for AAA may be patient-specific and allow modeling biomechanical and physiological variables including those produced by ILT, and also the segmentation of those anatomical structures in preoperative MR images. Applying numeric methods requires the generation of a proper computational mesh. These meshes represent the patient anatomy using a set of polyhedral elements, with hexahedral elements providing better results. In the specific case of vascular structures, generating hexahedral meshes is a challenging task due to the complex 3D branching anatomy. Each patient’s aneurysm is unique, characterized by its location and shape, and must be accurately represented for subsequent analyses to be meaningful. Most AAAs are located in the region where the aorta bifurcates into the iliac arteries and it is necessary to model this bifurcation precisely and reliably. If blood stagnates in the aneurysm and forms an ILT, it exists as a conforming structure with the aortic wall, i.e. the ILT’s outer contour is the same as the wall’s inner contour. Therefore, resulting meshes must also be conforming. The main objective of this PhD Thesis is designing a novel and robust method for generating conforming hexahedral meshes for the aortic wall and the thrombus. These meshes are built using largely high-quality elements, especially at the bifurcation, that are suitable for FE analysis of tissue stresses. The method accounts for the evolution of the vessel’s centerline which may develop outside a single plane, and generates the mesh directly from segmented images without the requirement to reconstruct triangular surfaces. In order to reduce the user intervention in the mesh generation process is also a goal of this PhD. Thesis to develop a semiautomatic segmentation method for the structures of interest. The segmentation is performed from magnetic resonance image (MRI) sequences that have tuned to provide high contrast for the arterial tissue against the surrounding soft tissue, so that we determine the required information reliably. The main contributions of this PhD Thesis are: 1. The design, implementation and evaluation of an algorithm for generating hexahedral conforming meshes of the arterial wall and the ILT from the segmented contours. A quality inspection has been applied to the meshes in order to determine their suitability for FE methods. Results show that the developed algorithm generates high quality conforming hexahedral meshes even at the bifurcation region. Thus, these meshes are suitable for FE analysis. 2. The design, implementation and evaluation of a semiautomatic segmentation method for the structures of interest. The lumen is segmented in a semiautomatic way from contrast filled MRI using an available software. The results obtained from this process are used to initialize the automatic segmentation of the internal and external faces of the aortic wall. These segmentations are performed by methods based on texture and shape models from MRI with no contrast. The results show that the algorithm provides faithful segmentations of the structures of interest requiring minimal user intervention. In conclusion, the work undertaken in this PhD. Thesis verifies the investigation hypotheses. It intends to serve as basis for future physical model generation of proper biological anatomies used by numerical methods.

Estudio numérico de la propagación de inestabilidades en elementos estructurales cilíndricos de material anisótropo bajo presión interna

Con este estudio se quiere realizar un análisis numérico sobre la propagación de inestabilidades en elementos estructurales cilíndricos de material anisótropo (material de Gasser-Ogden- Holzapfel), que mediante una matriz neohookeana reforzada bidireccionalmente con fibras de forma simétrica, simula el colágeno y la elastina que forman las arterias. Para ello, se simula mediante un modelo axilsimétrico de elementos finitos, un cilindro hueco sometido a presión interna y carga axial. Por medio de este modelo se pretende identificar las bifurcaciones que se producen relacionándolas con la formación de aneurismas en enfermedades cardiovasculares. Para corroborar la veracidad de los resultados obtenidos, se debe validar una formulación analítica de la condición de bifurcación para cilindros huecos sometidos al tipo de carga mencionada. Además, a la hora de comenzar el estudio, se analiza la influencia de la variación de algunos de los parámetros mecánicos y geométricos del modelo constitutivo, como pueden ser: la dispersión y la orientación respecto al eje axial de las fibras, el espesor del cilindro y la longitud de éste. Para analizar la propagación de inestabilidades se ha estudiado, sobre una misma geometría, dos materiales que presentan comportamientos distintos. Los resultados muestran como para uno de los materiales se produce abultamiento (bulging) y estricción (necking) y para otro se produce únicamente propagación axial de la inestabilidad.

Pulmonary Artery-Vein Segmentation in Real and Synthetic CT Images = Segmentación Arteria-Vena Pulmonares en Imágenes de CT Reales y Sintéticas

La tomografía axial computerizada (TAC) es la modalidad de imagen médica preferente para el estudio de enfermedades pulmonares y el análisis de su vasculatura. La segmentación general de vasos en pulmón ha sido abordada en profundidad a lo largo de los últimos años por la comunidad científica que trabaja en el campo de procesamiento de imagen; sin embargo, la diferenciación entre irrigaciones arterial y venosa es aún un problema abierto. De hecho, la separación automática de arterias y venas está considerado como uno de los grandes retos futuros del procesamiento de imágenes biomédicas. La segmentación arteria-vena (AV) permitiría el estudio de ambas irrigaciones por separado, lo cual tendría importantes consecuencias en diferentes escenarios médicos y múltiples enfermedades pulmonares o estados patológicos. Características como la densidad, geometría, topología y tamaño de los vasos sanguíneos podrían ser analizados en enfermedades que conllevan remodelación de la vasculatura pulmonar, haciendo incluso posible el descubrimiento de nuevos biomarcadores específicos que aún hoy en dípermanecen ocultos. Esta diferenciación entre arterias y venas también podría ayudar a la mejora y el desarrollo de métodos de procesamiento de las distintas estructuras pulmonares. Sin embargo, el estudio del efecto de las enfermedades en los árboles arterial y venoso ha sido inviable hasta ahora a pesar de su indudable utilidad. La extrema complejidad de los árboles vasculares del pulmón hace inabordable una separación manual de ambas estructuras en un tiempo realista, fomentando aún más la necesidad de diseñar herramientas automáticas o semiautomáticas para tal objetivo. Pero la ausencia de casos correctamente segmentados y etiquetados conlleva múltiples limitaciones en el desarrollo de sistemas de separación AV, en los cuales son necesarias imágenes de referencia tanto para entrenar como para validar los algoritmos. Por ello, el diseño de imágenes sintéticas de TAC pulmonar podría superar estas dificultades ofreciendo la posibilidad de acceso a una base de datos de casos pseudoreales bajo un entorno restringido y controlado donde cada parte de la imagen (incluyendo arterias y venas) está unívocamente diferenciada. En esta Tesis Doctoral abordamos ambos problemas, los cuales están fuertemente interrelacionados. Primero se describe el diseño de una estrategia para generar, automáticamente, fantomas computacionales de TAC de pulmón en humanos. Partiendo de conocimientos a priori, tanto biológicos como de características de imagen de CT, acerca de la topología y relación entre las distintas estructuras pulmonares, el sistema desarrollado es capaz de generar vías aéreas, arterias y venas pulmonares sintéticas usando métodos de crecimiento iterativo, que posteriormente se unen para formar un pulmón simulado con características realistas. Estos casos sintéticos, junto a imágenes reales de TAC sin contraste, han sido usados en el desarrollo de un método completamente automático de segmentación/separación AV. La estrategia comprende una primera extracción genérica de vasos pulmonares usando partículas espacio-escala, y una posterior clasificación AV de tales partículas mediante el uso de Graph-Cuts (GC) basados en la similitud con arteria o vena (obtenida con algoritmos de aprendizaje automático) y la inclusión de información de conectividad entre partículas. La validación de los fantomas pulmonares se ha llevado a cabo mediante inspección visual y medidas cuantitativas relacionadas con las distribuciones de intensidad, dispersión de estructuras y relación entre arterias y vías aéreas, los cuales muestran una buena correspondencia entre los pulmones reales y los generados sintéticamente. La evaluación del algoritmo de segmentación AV está basada en distintas estrategias de comprobación de la exactitud en la clasificación de vasos, las cuales revelan una adecuada diferenciación entre arterias y venas tanto en los casos reales como en los sintéticos, abriendo así un amplio abanico de posibilidades en el estudio clínico de enfermedades cardiopulmonares y en el desarrollo de metodologías y nuevos algoritmos para el análisis de imágenes pulmonares. ABSTRACT Computed tomography (CT) is the reference image modality for the study of lung diseases and pulmonary vasculature. Lung vessel segmentation has been widely explored by the biomedical image processing community, however, differentiation of arterial from venous irrigations is still an open problem. Indeed, automatic separation of arterial and venous trees has been considered during last years as one of the main future challenges in the field. Artery-Vein (AV) segmentation would be useful in different medical scenarios and multiple pulmonary diseases or pathological states, allowing the study of arterial and venous irrigations separately. Features such as density, geometry, topology and size of vessels could be analyzed in diseases that imply vasculature remodeling, making even possible the discovery of new specific biomarkers that remain hidden nowadays. Differentiation between arteries and veins could also enhance or improve methods processing pulmonary structures. Nevertheless, AV segmentation has been unfeasible until now in clinical routine despite its objective usefulness. The huge complexity of pulmonary vascular trees makes a manual segmentation of both structures unfeasible in realistic time, encouraging the design of automatic or semiautomatic tools to perform the task. However, this lack of proper labeled cases seriously limits in the development of AV segmentation systems, where reference standards are necessary in both algorithm training and validation stages. For that reason, the design of synthetic CT images of the lung could overcome these difficulties by providing a database of pseudorealistic cases in a constrained and controlled scenario where each part of the image (including arteries and veins) is differentiated unequivocally. In this Ph.D. Thesis we address both interrelated problems. First, the design of a complete framework to automatically generate computational CT phantoms of the human lung is described. Starting from biological and imagebased knowledge about the topology and relationships between structures, the system is able to generate synthetic pulmonary arteries, veins, and airways using iterative growth methods that can be merged into a final simulated lung with realistic features. These synthetic cases, together with labeled real CT datasets, have been used as reference for the development of a fully automatic pulmonary AV segmentation/separation method. The approach comprises a vessel extraction stage using scale-space particles and their posterior artery-vein classification using Graph-Cuts (GC) based on arterial/venous similarity scores obtained with a Machine Learning (ML) pre-classification step and particle connectivity information. Validation of pulmonary phantoms from visual examination and quantitative measurements of intensity distributions, dispersion of structures and relationships between pulmonary air and blood flow systems, show good correspondence between real and synthetic lungs. The evaluation of the Artery-Vein (AV) segmentation algorithm, based on different strategies to assess the accuracy of vessel particles classification, reveal accurate differentiation between arteries and vein in both real and synthetic cases that open a huge range of possibilities in the clinical study of cardiopulmonary diseases and the development of methodological approaches for the analysis of pulmonary images.

Pulsatile blood flow interaction with arterial walls of aorta : autoregulation and impedance pressure boundary condition and its biomedical applications

Para las decisiones urgentes sobre intervenciones quirúrgicas en el sistema cardiovascular se necesitan simulaciones computacionales con resultados fiables y que consuman un tiempo de cálculo razonable. Durante años los investigadores han trabajado en diversos métodos numéricos de cálculo que resulten atractivos para los cirujanos. Estos métodos, precisos pero costosos desde el punto de vista del coste computacional, crean un desajuste entre la oferta de los ingenieros que realizan las simulaciones y los médicos que operan en el quirófano. Por otra parte, los métodos de cálculo más simplificados reducen el tiempo de cálculo pero pueden proporcionar resultados no realistas. El objetivo de esta tesis es combinar los conceptos de autorregulación e impedancia del sistema circulatorio, la interacción flujo sanguíneo-pared arterial y modelos geométricos idealizados tridimensionales de las arterias pero sin pérdida de realismo, con objeto de proponer una metodología de simulación que proporcione resultados correctos y completos, con tiempos de cálculo moderados. En las simulaciones numéricas, las condiciones de contorno basadas en historias de presión presentan inconvenientes por ser difícil conocerlas con detalle, y porque los resultados son muy sensibles ante pequeñas variaciones de dichas historias. La metodología propuesta se basa en los conceptos de autorregulación, para imponer la demanda de flujo aguas abajo del modelo en el ciclo cardiaco, y la impedancia, para representar el efecto que ejerce el flujo en el resto del sistema circulatorio sobre las arterias modeladas. De este modo las historias de presión en el contorno son resultados del cálculo, que se obtienen de manera iterativa. El método propuesto se aplica en una geometría idealizada del arco aórtico sin patologías y en otra geometría correspondiente a una disección Stanford de tipo A, considerando la interacción del flujo pulsátil con las paredes arteriales. El efecto de los tejidos circundantes también se incorpora en los modelos. También se hacen aplicaciones considerando la interacción en una geometría especifica de un paciente anciano que proviene de una tomografía computarizada. Finalmente se analiza una disección Stanford tipo B con tres modelos que incluyen la fenestración del saco. Clinicians demand fast and reliable numerical results of cardiovascular biomechanic simulations for their urgent pre-surgery decissions. Researchers during many years have work on different numerical methods in order to attract the clinicians' confidence to their colorful contours. Though precise but expensive and time-consuming methodologies create a gap between numerical biomechanics and hospital personnel. On the other hand, simulation simplifications with the aim of reduction in computational time may cause in production of unrealistic outcomes. The main objective of the current investigation is to combine ideas such as autoregulation, impedance, fluid-solid interaction and idealized geometries in order to propose a computationally cheap methodology without excessive or unrealistic simplifications. The pressure boundary conditions are critical and polemic in numerical simulations of cardiovascular system, in which a specific arterial site is of interest and the rest of the netwrok is neglected but represented by a boundary condition. The proposed methodology is a pressure boundary condition which takes advantage of numerical simplicity of application of an imposed pressure boundary condition on outlets, while it includes more sophisticated concepts such as autoregulation and impedance to gain more realistic results. Incorporation of autoregulation and impedance converts the pressure boundary conditions to an active and dynamic boundary conditions, receiving feedback from the results during the numerical calculations and comparing them with the physiological requirements. On the other hand, the impedance boundary condition defines the shapes of the pressure history curves applied at outlets. The applications of the proposed method are seen on idealized geometry of the healthy arotic arch as well as idealized Stanford type A dissection, considering the interaction of the arterial walls with the pulsatile blood flow. The effect of surrounding tissues is incorporated and studied in the models. The simulations continue with FSI analysis of a patient-specific CT scanned geometry of an old individual. Finally, inspiring of the statistic results of mortality rates in Stanford type B dissection, three models of fenestrated dissection sac is studied and discussed. Applying the developed boundary condition, an alternative hypothesis is proposed by the author with respect to the decrease in mortality rates in patients with fenestrations.